刀库换刀异常故障诊断与维修

第18章学习情境十一

刀库换刀异常故障诊断与维修

14.1 加工中心刀库

14.1.1 概述

数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩短辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。数控车床上的回转刀架就是一种简单的自动换刀装置，所不同的是在多工序数控机床出现之后，逐步发展和完善了各类回转刀具的自动换刀装置，扩大了换刀数量，从而能实现更为复杂的换刀操作。在自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短，刀具重复定位精度高，有足够的刀具存储量，刀库占地面积小及安全可靠等。

加工中心是为了满足产品的批量生产，通过自动更换不同的刀具在一次装夹中完成相应工序的全部加工，因此大大提高了加工效率。加工中心是通过自动换刀系统实现刀具的自动换取的，根据刀库选取的不同，换刀系统的控制方式也不同。刀库按其结构的不同分为斗笠式和凸轮式。斗笠式刀库的特点是换刀过程简单，但对刀库的定位要求高，而且在换刀过程中需要轴配合其动作。凸轮式刀库换刀过程复杂,有两个机械手配合其动作，换刀速度快。斗笠式刀库的换刀过程需要轴的参与，而ＰＬＣ是无法直接参与数控轴的控制。

14.1.2 刀具的选择方式

1．刀库系统

刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置，其自动换刀机构及可以储放多把刀具的刀库，改变了传统以人为主的生产方式。藉由电脑程式的控制，可以完成各种不同的加工需求，如铣削、钻孔、镗孔、攻牙等。大幅缩短加工时程，降低生产成本，这是刀库系统的最大特点。

数控机床所用的刀具，虽不是机床体的组成部分，但它是机床实现切削功能不可分割的部分，提高数控机床的利用率和生产效率，刀具是一个十分关键的因素，应选用适应高速切削的刀具材料和使用可转位刀片。为使刀具在机床上迅速地定位夹紧，数控机床普遍使用标准的刀具系统。数控车床、加工中心等带有自动换刀装置的机床所用的刀具，刀具与主轴连接部分和切削刃具部分都已标准化、系列化。我国在20世纪70年代制定了镗铣床用TSG刀具系统及刀柄标准（草案）。

TSG刀具系统的刀柄标准为直柄及7∶24锥度的锥柄两大类。直柄适用于圆柱形主轴孔，锥柄适用于圆锥形主轴孔。TSG刀具系统中还设计了各种锥柄接长杆和各种直柄长杆。

2．刀具的选择方式

根据数控装置发出的换刀指令，刀具交换装置从刀库中将所需的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。自动选择刀具通常又有顺序选择和任意选择两种方式。

（1）顺序选择刀具

刀具的顺序选择方式是将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内。每次换刀时，刀库按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。已经使用过的刀具可以放回到原来的刀座内，也可以按顺序放入下一个刀座内。采用这种方式的刀库，不需要刀具识别装置，而且驱动控制也比较简单，可以直接由刀库的分度机构来实现。因此刀具的顺序选择方式具有结构简单，工作可靠等优点。但由于刀库中刀具在不同的工序中不能重复使用，因而必须相应地增加刀具的数量和刀库的容量，这样就降低了刀具和刀库的利用率。此外，对操作工人要求高，人工装刀操作必须十分谨慎，如果刀具在刀库中的顺序发生差错，将造成设备或质量事故。

（2）任意选择刀具

这种方式是根据程序指令的要求来选择所需要的刀具，采用任意选择方式的自动换刀系统中必须有刀具识别装置。刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可任意存放。每把刀具（或刀座）都编上代码，自动换刀时，刀库旋转，每把刀具（或刀座）都经过“刀具识别装置”接受识别。当某把刀具的代码与数控指令的代码相符合时，该刀具就被选中，并将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。

任意选择刀具法的优点是刀库中刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，相同的刀具可重复使用。因此，刀具数量比顺序选择法的刀具可少一些，刀库也相应的小一些。

14.1.3 刀具的编码与识别

1．刀具的编码方式

刀具的编码方式主要有刀柄编码方式、刀座编码方式和附件编码方式三种：

（1）刀柄编码方式

这种方式是采用特殊的刀柄结构进行编码。由于每把刀具都有自己的代码，因此，可以存放于刀库的任一刀座中。这样刀库中的刀具在不同的工序中也就可重复使用，用过的刀具也不一定要放回原刀座中，这对装刀和选刀都十分有利，刀库的容量也可以相应的减少，而且还可避免由于刀具存放在刀库中的顺序差错而造成的事故。

刀柄编码的结构原理如图14－1所示。在刀柄后端的拉杆上套装着等间隔的编码环，由锁紧螺母固定。编码环既可以是整体的，也可由圆环组装而成。编码环直径有大小两种，大直径为二进制的“1”，小直径的为“0”。通过这两个圆环的不同排列，可以得到一系列代码。例如由六个大小直径的圆环便可组成能区别63（26-1=63）种刀具的编码。通常全部为0的代码不许使用，以避免与刀座中没有刀具的状况相混淆。为了便于操作者的记忆和识别，也可采用二－八进制编码来表示。

图14－1 编码刀柄示意图

1－编码环2－锁紧螺母3－拉紧螺杆

（2）刀座编码方式

这种编码方式对刀库中的每个刀座都进行编码，刀具也编码，并将刀具放到与其号码相符的刀座中。换刀时刀库旋转。使各个刀座依次经过识刀器，直至找到规定的刀座，刀座便停止旋转。由于这种编号方式取消了刀柄中的编码环，使刀柄结构大为简化。因此，刀具识别装置的结构不受刀柄尺寸的限制，而且可以放在较适当的位置。另外，在自动换刀过程中，必须将用过的刀具放回原来的刀座中，增加了换刀动作。与顺序选择刀具的方式相比，刀座编码方式的突出特点是刀具在加工过程中可以重复使用。刀座编码的结构原理如图14－2所示。

图14－2 编码刀座示意图

1－编码块2－刀座识别装置

（3）附件编码方式

编码附件方式可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等，其中应用最多的是编码钥匙。这种方式是先给各刀具都缚上一把表示该刀具号的编码钥匙，当把各刀具存放到刀库中时，将编码钥匙插进刀座旁边的钥匙孔中，这样就把钥匙的号码转记到刀座中，给刀座编上了号码。识别装置可以通过识别钥匙上的号码来选取该钥匙旁边刀座中的刀具。钥匙编码的结构原理如图14－3所示。

图14－3 钥匙编码示意图

1－钥匙2、5－接触片3－钥匙齿4－钥匙孔座